Was ist Ultraschall-Nassmahlen und Partikelmahlen?

Ultraschall ist eine effektive Methode zur Nassvermahlung und Partikelvermahlung. Neben der Dispergierung und Desagglomeration ist auch die Partikelmahlung eine wichtige Anwendung von Ultraschall.

Ultraschall-Nassmahlen und Partikelmahlen sind Verfahren zum Mahlen in einer flüssigen Umgebung unter Ausnutzung der Vibrationswirkung von Ultraschall. Bei dieser Methode werden in der Regel mithilfe eines Ultraschallgenerators hochfrequente Schwingungen erzeugt, die über ein flüssiges Medium auf das zu verarbeitende Material übertragen werden. Die Ultraschallvibration erzeugt in der Flüssigkeit hochintensive Druckwellen und Scherkräfte, die zur Fragmentierung und Zerkleinerung des Materials führen. Diese Methode wird häufig in Anwendungen wie der Pulvervorbereitung, der Partikelverfeinerung und der gleichmäßigen Dispersion eingesetzt.

Die Ultraschall-Partikelvermahlung bietet mehrere Vorteile:

Effizientes Mahlen: Ultraschallvibrationen liefern hochintensive Energie, die die Kollision und das Mahlen der Partikel fördert und so einen schnellen und effizienten Mahlprozess ermöglicht.

Gleichmäßige Dispersion: Ultraschallvibrationen verteilen Partikel effektiv in einer Flüssigkeit und verhindern so die Aggregation und Agglomeration der Partikel, was zu einem gleichmäßigen Mahleffekt führt.

Breite Anwendbarkeit: Das Ultraschall-Partikelmahlen eignet sich für verschiedene Arten von Partikelmaterialien, einschließlich körniger Materialien, Nanopartikel und kolloidaler Partikel.

Starke Kontrollierbarkeit: Parameter des Ultraschall-Partikelmahlens, wie Ultraschallleistung, Frequenz und Mahldauer, können angepasst werden, um eine präzise Kontrolle über den Mahlprozess zu erreichen.

Insbesondere bei der Herstellung ultrafeiner Schlämme bietet die Ultraschallmahlung viele Vorteile gegenüber herkömmlichen Zerkleinerungsgeräten wie Kolloidmühlen (Kugelmühlen, Perlmühlen), Scheibenmühlen, Strahlmühlen, Rotor-Stator-Mischern oder Hochdruckhomogenisatoren. Ultraschall kann hohe Konzentrationen und Viskositäten von Aufschlämmungen verarbeiten und reduziert so das Volumen der nachfolgenden Verarbeitungsgeräte. Das Ultraschall-Partikelmahlen eignet sich besonders für die Verarbeitung von Materialien im Mikrometer- und Nanometergrößenbereich, wie zum Beispiel Keramik, Aluminiumoxid, Bariumsulfat, Calciumcarbonat und Metalloxide.

Die folgenden Mikroaufnahmen zeigen das Nassmahlen von Trihydrat-Aluminiumoxid (von 150 Mikrometer bis 10 Mikrometer), Keramik (von 30 Mikrometer bis 2 Mikrometer) und Natriumcarbonat (von 70 Mikrometer bis 3 Mikrometer).

Mikroskopische Bilder der Ultraschall-Nassmahlung von Trihydrat-Aluminiumoxid

Mikroskopische Bilder des Ultraschall-Nassschleifens von Dentalkeramik

Mikroskopische Bilder der Ultraschall-Nassmahlung von Natriumcarbonat

Ultraschallgeräte sind äußerst einfach zu installieren und zu bedienen, da beim Schleifen nur zwei Komponenten mit dem Material in Kontakt kommen: ein Werkzeugkopf aus Titanlegierung und ein Umlaufreaktionstank aus Edelstahl. Durch das stromlinienförmige Design des Ultraschall-Umwälzbeckens lässt sich dieses schnell reinigen. Aufgrund der hohen Effizienz der Hangchao-Ultraschallgeräte bei der Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie erfordert das Ultraschallschleifen im Vergleich zu herkömmlichen Schleifgeräten relativ weniger Energie.

Die Wirkung der Ultraschall-Partikelvermahlung beruht auf der hochintensiven Kavitation von Ultraschallwellen. Wenn eine Flüssigkeit hochintensiven Ultraschallwellen ausgesetzt wird, wechseln die sich im flüssigen Medium ausbreitenden Schallwellen zwischen Hochdruck- (Kompression) und Niederdruck- (Verdünnungs-)Zyklen, wobei die Zyklenrate durch die Ultraschallfrequenz bestimmt wird. Während des Niederdruckzyklus erzeugen die hochintensiven Ultraschallwellen kleine Vakuumblasen oder Lücken in der Flüssigkeit. Wenn die Blasen ein Volumen erreichen, in dem sie keine Energie mehr absorbieren können, kollabieren sie während des Hochdruckzyklus heftig, ein Phänomen, das als Kavitation bekannt ist.

Durch das Kollabieren von Kavitationsblasen entstehen Mikroturbulenzen und Mikrojets, die Geschwindigkeiten von bis zu 100 Kilometern pro Stunde erreichen. Die Oberflächen größerer Partikel werden erodiert (aufgrund des Zusammenbruchs der Kavitation in der umgebenden Flüssigkeit) oder verkleinert (aufgrund kollisionsbedingter Fragmentierung oder oberflächenkollabierter Kavitation zwischen Partikeln). Diese Veränderungen der Partikelgröße und -struktur führen zu einer schnellen Beschleunigung von Diffusion, Stofftransportprozessen und Festkörperreaktionen.

Das Mahlen von Ultraschallpartikeln findet breite Anwendung in der Materialwissenschaft, Nanotechnologie, Pharmazeutik und anderen Bereichen, wie etwa der Partikelverfeinerung, der Herstellung von Nanomaterialien und der gleichmäßigen Dispersion von Suspensionen.